실리콘 고무
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실리콘 고무의 개요
고무는 유용한 특성들을 독특하게 조합시켜 나타내는 복잡한 물질이다. 그 중 제일 첫 번째 특성은 탄성이다(반대는 소성:plasticity) 모든 고무는 인장, 압축 또는 비틀림에 따라 변형을 하고 그 힘을 제거하면 바로 원형으로 돌아가는 능력을 지니고 있다.
단성 회복 이외에 고무의 유용한 특징들은 다음과 같은 것들이 있다.
- 공기, 가스, 물, 스팀에 대한 낮은 투과성
- 전기 및 열에 대한 양호한 절연성
- 양호한 기계적 특성
- 여러 종류의 섬유, 금속 및 단단한 플라스틱과의 접착 능력 또한 적절하게 배합제를 선택함으로써 개선된 혹은 특정 물성을 가진 제품을 아주 다양한 사용 환경 조건에 만족하도록 설계할 수 있다.
이러한 유용하고 특이한 특성들을 적당히 조합함으로써 씰링, 완충, 진동, 감쇄, 절연, 단열 등에서 요구되는 다양한 기술적 사항에 고무를 사용할 수 있는 것이다.더욱이 고무는 타이어, 매트, 신발, 차량용 벨트, 풍선, 의료용 기구, 가정용, 스폰지 고무, 비, 호스 등 현대 생활에 필수적인 수천 가지 종류의 다양한 제품에 사용된다.
>> 실리콘고무의 특성.
1. 경도
고무의 경도(hardness)는 규정 하중하에서 표면이 규정된 크기의 압침(indentor) 침입(penetration)에 저항하는 정도로 정의된다.경도계는 시험과 동시에 압침과 하중 방식에 따라 여러 종류로 분류된다. 바로 그 값을 읽을 수 있는 일정한 눈금 값을 갖고 있다.그 눈금은 0(아주 유연한 경우)에서100(딱딱한 경우)까지 임의로 나눠져 있고, 하중은 정하중(dead load) 및 스프링 형태로 가해진다.
경도는 IRHD(International Rubber Hardness Degrees)나 쇼아 경도(Shorehardness degrees)로 나타낸다.IRHD 시험은 일정한 규정된 정하중하에서 규정된 강성의 볼이 시료에 침입하는 정도를 측정하는 것을 기본 원리로 하여 이루어진다.듀로미터(Durometer)라 불리는 쇼아 경도계는 A형과D형이 있다.
검교정된 스프링이 규정된 압침을 시험편에 가압하게 한다.A형 경도계는 무딘 원추형 압침을 가지고 있고 유연한 고무 경도를 약 90쇼아 A까지 측정하는데 사용된다.A형 경도계와 다른 스프링과 뾰족한 원추형 압침을 가진 D형 경도계는 90 쇼아 A 이상의 단단한 재료의 경도를 측정하는데 사용된다.
쇼아 A 단위는 IRHD 단위와 거의 비슷하나 큰 차이가 생길 수 있기 때문에 직접적인 전환은 하지 않아야 한다. 대부분의 고무 제품은 실제 이용하는데 있어 경도 40에서 90 IRHD 사이의 범위에서 변하게 된다.40이하의 경도는 고무 배합시 많은 양의 가소제를 첨가하여 얻을 수 있다.
2. 인장 특성
인장 특성(Tensile Properties)은 인장강도, 신장율, 인장응력 등을 말한다.
이러한 특성들은 인장시험기라는 장치에서 일정한 속도로 표준 시험편을 잡아 당겨서 측정한다.
인장강도는 표준시편을 일정 속도로 잡아당겼을 때, 절단되는 힘 또는 응력으로 Mpa로 나타낸다.각기 다른 고무의 인장강도는 사용한 원료고무와 배합제에 따라 7MPa이하부터 45MPa이상까지 다르게 나타난다.
신장율 또는 변형의 정의는 표준 시험편에 가해지는 인장력에 의해 나타나는 늘어난 길이로 초기 길이에 대한 백분율로 나타낸다.예를 들어300% 신장율이라는 의미는 그 시편이 초기 길이의 4배로 늘어 났다라는 것을 말한다.절단 신장율(ultimate elongation 또는 elongation at break)은 절단시의 신장율을 말하는데, 인장강도 시험시 자동적으로 얻어진다.절단신장율은 고무 컴파운드에 따라 100%에서 1000%까지 다르게 나타나는데 고무 시험에서는 보통 신장율 혹은 신율을 의미한다.
고무에 가해지는 인장응력(tensile modulus : 인장 모듈러스)은 일정 신장율을 유지하는데 필요한 힘으로 정의되며 인장강도와 같은 MPa으로 나타낸다.주로 측정하는 인장응력(모듈러스)은 100% 및 300% 신장율에서인데 예를 들어 100% 신장율을 유지하는데 필요한 힘이 5MPa이라면 100% 인장응력은 5MPa이라고 말한다.인장응력은 고무 컴파운드의 딱딱한 정도와 가황 정도를 나타내는데 보통은 인장강도를 시험하는 동안에 구해진다.다른 고무 컴파운드의 100% 인장응력은 고무 컴파운드의 화학적 조성에 따라 1MPa이하에서 13MPa 이상까지 다르게 나타난다.
3. 내인열성
고무 제품은 인열(tear)이라는 독특한 형태의 찢김(rupture) 발생과 성장으로 인하여 성능을 발휘하지 못하는 경우가 있다.이러한 현상은 흠(nick)이나 날카롭게 각진 부위에 높은 응력이 집중될 때 주로 일어난다.고무에서의 내인열성(tear resistance)은 단위 두께 대비 규정된 시험편을 둘로 나누는 인열에 필요한 최고의 힘으로 정의되는데 N/mm, kgf/mm, lbf/cm 단위로 통상 표기한다.
내인열성은 가황 정도에 아주 크게 영향을 받는다. 저온에서 짧은 시간 동안 가황하면 아주 높은 인열강도를 나타낸다.일반적으로 낮은 모듈러스, 아주 높은 신장율, 높은 압축변형율을 가진 재료가 높은 인열강도를 나타낸다.실리콘 고무와 같은 인열강도가 낮은 고무재료는 사용도중 발생할지 모르는 손상을 방지하기 위하여 취급과 장착에 세심한 주의를 기울어야 한다.
4. 마찰과 마모
마찰과 마모(Friction and abrasion)는 서로 밀접한 관계를 가진 항목으로 마찰에 의해 표면의 재료가 닳아 버리는 과정을 마모라 한다.즉, 마찰이 없다면 마모는 일어나지 않는다. 그러나 이 두 과제는 대부분 별개로 다루어지기도 한다.
마찰과 마모는 고무 제품이 동적 상태에서 사용될 때 고려해야 하는 아주 중요한 특성이다.예를 들면 운동용 씰(dynamic seal)은 비교적 마찰이 큰 건조한 표면에서 움직일 때 마모를 수반한다.
고무의 마찰계수는 고무 부품과 상대 재료의 형상, 조성, 온도, 압력, 마찰속도, 표면조도 등과 같은 수많은 요인에 의해 영향을 받는다.
심한 마찰은 고무 열화의 원인이 되는 열을 발생하기 때문에 아주 나쁠 수가 있다.그러한 마찰은 적당한 윤활유나 표면의 화학적 처리로 상당히 줄일 수도 있다.초소의 마찰이 요구되거나 지속적으로 윤활유가 존재할지 확실하지 않을 때에는 윤활제를 함유한 고무 컴파운드를 사용하기도 한다.
5. 영구 변형, 응력 완화 및 그립
고무는 완벽한 탄성체가 아니다.점성 유체의 일부와 탄성 고무체의 일부가 혼합되어 작용하는 점탄성 물질이다.지속적인 변형은 어느 정도의 영구 변형(set)을 일으키는데, 그것은 변형의 일부는 회복되고 일부는 영구히 유지된다는 뜻이다.이러한 영구 변형, 응력 완화(stress relaxation), 크립(creep)은 지속적인 응력 또는 변형의 작용에 의하여 생기는 점진적인 특성변화이다.
구 변형은 변형 하중을 제거한 후에 남아 있는 변형량으로 정의한다.만일 고무가 일정한 조건 아래서 당겨진 후 하중이 제거된 다음 남아 있는 인장은 초기 길이 대비 백분율로 표시되고 인장변형율(tension set)이라 부른다.고무가 특정 조건하에서 압축을 받는 경우 압축력을 완전히 제거한 후 남아 있는 두께의 감소를 압축줄음율(compression set)이라 한다.
이런한 경우 대부분은 가해진 변형에 대한 백분율로 표시하게 되어 있다.100% 압축줄음율이란 완전한 영구 변형을 말하고, 0%는 영구 변형이 없다는 것이다.압축변형량은 온도와 변형의 량 및 시간에 따라 달라진다.
씰용 재료의 경우 사용 온도에서 압축줄음율이 적어야 한다는 것은 필수조건이며, 아주 장시간이 경과하더라도 100%가 되어서는 곤란하다.초기형상으로 돌아가려고 하는 복원 특성이 양 표면 사이에 필요한 밀봉력을 유지하게 하는 것이다.
고무 부품의 응력 완화는 그 부품이 장시간에 걸쳐 일정한 변형을 유지할 때의 응력 손실을 말한다.응력 완화가 중요한 인자로 작용하는 고무부품에는 씰류와 가스켓 등이 있다.압축상태에서의 응력 완화 측정 결과는 밀봉 효과를 파악하는데 사용된다.
크립은 응력 완화와는 반대되는 현상으로 고무 제품에 장시간 동안 일정한 하중이 작용할 때 나타나는 변형량의 크기를 말한다.
6. 반발탄성
고무에 있어서 반발탄성(rebound resilience)은 일시적으로 고무 제품이 변형된 다음 재빠르게 원래 형태로 돌아가는 능력을 말한다.회복 정도를 말하는 압축줄음율과는 다르게 이것은 회복 속력이라고도 말한다.고무 가변형을 할 때는 에너지가 가해지게 되고 그들 일부는 고무가 거의 원래의 모습으로 되돌아와도 회복되지 못한다.회복되지 못한 에너지 일부는 고무내에서 열의 형태로 사라진다.변형이 발생할 때 가해진 초기 에너지 대비회복 에너지의 비율을 그 재료의 탄성이라 한다.
한번의 충격에 의해 변형이 일어날 때 회복에너지와 투입에너지 사이의 비율을 반발탄성이라 부른다.대부분의 고무에서의 반발탄성은 온도에 따라 매우 다르다.상온에서 각기 다른 고무의 반발탄성은 원료고무와 배합제에 따라 5% 이하부터 75% 이상까지 다르게 나타난다.
7. 히스테리시스 및 발열
반발탄성에서 언급했듯이 고무가 일시적으로 변형을 하고 회복을 할 때 투입되는 일부의 에너지가 열로 변환된다.이러한 변형 회수당 에너지손실을 히스테리시스(hysteresis)라 한다.즉, 100%에서 반발탄성(백분율로 나타낸 것)을 빼는 것과 동일하다.
발열(Heat buildup)은 히스테리시스에 의한 고무 내부에서의 온도상승인데 이것은 빠른 반복적 변형에 의한 결과이다.고무는 아주 불량한 열전도체이기 때문에 반복적 변형이 주어질 때 그 내부에서는 열이 발생한다.예를 들어 아주 두꺼운 고무 제품에 빠른 속도로 반복 변형이 주어질 때 제일 두꺼운 부위에서는 약 150℃까지 온도가 상승한다.이 발열은 고무물성에 영향을 줄뿐만 아니라 고무를 완전히 열화 시키게 된다.발열을 감소시키기 위해서는 반발탄성이 좀 더 있는 컴파운드를 사용하던지 또는 제품의 형상을 변경하던지 또는 이들 둘 다를 적용하던지 하여야 한다.
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